A natureza fornece uma miríade de exemplos de materiais e estruturas exclusivos desenvolvidos para aplicações ou adaptações especializadas. Um grupo interdisciplinar de pesquisadores do Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA está tentando desvendar os segredos que os organismos usam para construir tais estruturas complexas, de modo que a energia possa ser usada para criar materiais não encontrados na natureza e não capazes de serem sintetizados por meios convencionais.

"A natureza tem muitos exemplos dessas estruturas hierárquicas e geralmente são materiais compostos orgânicos-inorgânicos, "disse Surya Mallapragada, Cientista do Ames Laboratory e cadeira de Engenharia Química e Biológica da Iowa State University Carol Vohs Johnson. "Um esqueleto de esponja do mar de vidro é um exemplo perfeito dessas estruturas modeladas pela fase orgânica. Você tem nanocristais inorgânicos que se formam e é um processo de montagem multiescala, que na maioria dos casos acontece em temperaturas e condições amenas, como pH. "

"Então, olhamos para a natureza em busca de inspiração e como uma fonte de biomoléculas para ver como podemos recriar alguns desses processos que criam esses materiais maravilhosos com montagens hierárquicas ou estrutura uniforme, "disse ela sobre a pesquisa que é financiada pelo Programa de Materiais Biomoleculares DOE-BES.

Até aqui, A equipe de Mallapragada foi capaz de replicar a criação de magnetita estudando bactérias magnetotáticas. Essas bactérias formam nanocristais magnéticos ou cadeias de nanocristais que usam para se orientar com o campo magnético da Terra. Usando modelos de polímero de automontagem e proteínas da bactéria, os pesquisadores foram capazes de cultivar cristais de magnetita.

"Usamos essa abordagem com sucesso para cultivar nanocristais de magnetita, "Mallapragada disse, "mas nós fomos além disso, usando essas técnicas para criar ferrita de cobalto e outros nanocristais magnéticos que não são encontrados na natureza. Esse é um ótimo exemplo de síntese modelada. "

O grupo também trabalhou com fosfato de cálcio para tentar imitar a força de leveza encontrada nos ossos.

"Em algum caso, precisamos criar análogos sintéticos que possam fazer o mesmo trabalho, mas são mais robustos, "Disse Mallapragada." Em muitos casos, as biomoléculas não são tão robustas. As proteínas são moléculas frágeis, então, se pudermos fazer isso com polímeros sintéticos, isso nos dá muito mais flexibilidade. "

Uma coisa é criar nanocristais. Fazer com que esses nanocristais organizem e formem microestruturas e depois estruturas em macroescala é algo totalmente diferente.

"Eles não estão no nível de complexidade que vemos na natureza - esse é o Santo Graal, "Mallapragada explicou, "mas essa é a inspiração e estamos tentando chegar lá com abordagens sintéticas."

O objetivo mais recente para aproveitar este processo de construção natural é a criação de metamateriais, os chamados materiais canhotos, que têm propriedades ópticas interessantes que não ocorrem na natureza.

"Estamos estudando o uso de modelos orgânicos para montar partículas inorgânicas e obter as propriedades desejadas, "Mallapragada." Temos uma colaboração muito forte com os físicos do Ames Laboratory Costas Soukoulis e Thomas Koschny, e eles fizeram um trabalho maravilhoso com simulações e previsões de estruturas e desenvolveram algumas estruturas litográficas, mas esses são apenas 2-D. Portanto, é realmente um caso perfeito para usar essas abordagens bioinspiradas para automontar esses metamateriais em estruturas 3-D. "

Mallapragada novamente aponta para a esponja do mar de vidro para o tipo de montagem multiescala necessária para construir metamateriais 3-D.

"A esponja do mar tem ordem em várias escalas - nanoescala, escala de mícron, escala milimétrica. É uma montagem em várias escalas - parece a Torre Eiffel - e é por isso que tem uma relação resistência / peso muito grande, "disse ela." Portanto, precisamos de uma hierarquia semelhante. Defina as formas em nanoescala, mas, em seguida, tenha um arranjo ordenado desses objetos em nanoescala em 2-D e, em seguida, 3-D para obter as propriedades desejadas. "

Além de usar polímeros de automontagem, que fornecem pedidos de longo prazo, O DNA também tem sido usado porque permite a especificidade na colocação de nanopartículas. Para criar metamateriais, a equipe está procurando usar ambos para controlar a colocação de nanopartículas de ouro em um padrão específico, construir camadas e, em seguida, aplicar um revestimento de filme de ouro em toda a estrutura para adquirir as propriedades desejadas.

"É necessária uma abordagem muito interdisciplinar, "Mallapragada disse." Temos biólogos moleculares (Marit Nilsen-Hamilton) para o lado do DNA, químicos de materiais (Mallapragada) para a síntese de polímeros, Soukoulis e Koschny pela previsão teórica das estruturas e (físico) Alex Travesset pela modelagem dos tipos de estruturas que podemos obter. "

"Precisamos de uma boa caracterização, então David Vaknin está procurando métodos de espalhamento e Tanya Prozorov está fazendo um trabalho de microscopia eletrônica de transmissão, "ela continuou." Andy Hillier (engenheiro químico / biológico) esteve envolvido na metalização, aplicando a película contínua de ouro nesses modelos nanoestruturados. Portanto, é um multi-nível, Várias Etapas, processo sintético multicomponente ".

A Mãe Natureza deve ficar lisonjeada!